PREMIÈRE PARTIE : ATOME HYDROGÉNOÏDE

A 2007 PHYS. II PC
ÉCOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSÉES,
ÉCOLES NATIONALES SUPÉRIEURES DE L'AÉRONAUTIQUE ET DE L'ESPACE,
DE TECHNIQUES AVANCÉES, DES TÉLÉCOMMUNICATIONS,
DES MINES DE PARIS, DES MINES DE SAINT-ÉTIENNE, DES MINES DE NANCY,
DES TÉLÉCOMMUNICATIONS DE BRETAGNE,
ÉCOLE POLYTECHNIQUE (FILIÈRE TSI)
CONCOURS D'ADMISSION 2007
SECONDE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
Filière PC
(Durée de l'épreuve : 4 heures)
L’usage de la calculatrice est autorisé
Sujet mis à disposition des concours : ENSAE (Statistique), ENSTIM, INT, TPE-EIVP, Cycle international
Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente sur la première page de la copie :
PHYSIQUE II -PC
L'énoncé de cette épreuve comporte 7 pages.
x Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il est invité à le
signaler sur sa copie et à poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu’il est amené à
prendre.
x Il ne faudra pas hésiter à formuler les commentaires (incluant des considérations numériques qui vous
sembleront pertinents. Le barème tiendra compte de ces initiatives ainsi que des qualités de rédaction de la
copie.
Notations : Vecteur o A
J
G
; norme du vecteur A
J
G
o A (italique) ou A
J
G
; vecteur unitaire o â.
Les différentes parties sont largement indépendantes entre elles. On trouvera page 6 le rappel de quelques nota-
tions standard et une banque de données utiles pour résoudre certaines questions.
Dans toute l’épreuve, exprimer signifie donner l’expression littérale et calculer signifie donner la valeur numé-
rique.
PREMIÈRE PARTIE : ATOME HYDROGÉNOÏDE
Le modèle d’atome d’hydrogène proposé par Niels BOHR s’appuie principalement sur les axiomes
suivants : dans un référentiel galiléen,
i) l’électron décrit une trajectoire circulaire de rayon r sur laquelle il ne rayonne pas,
ii) l’électron échange de l’énergie avec l’extérieur lorsqu’il change de trajectoire circulaire,
iii) axiome de quantification : , où et
2
h
mvrn n mv
S
= désignent respectivement la masse et le
module de la vitesse de l’électron, un nombre entier naturel non nul et
la constante de Planck. À chaque valeur de l’entier n correspond une valeur
du rayon r, de la vitesse v et de l’énergie, notées respectivement , et
.
n
h
rn
vn
En
On considère (Fig. 1) un atome d’hydrogène constitué d’un proton (charge
e, masse M) et d’un électron (charge
e, masse m). Le proton, situé en un
pt O, est supposé immobile ; l’électron, en A, est repéré par le vecteur
dans le repère polaire
oin
ˆr
r OA u
JJJG
ˆˆ
,
r
T
uu utilisé dans cette partie.

Physique II - PC - 2007
0
 1 – Justifier l’unité de la constante h (J.s) qui figure dans le tableau de la page 7.
 2 – Montrer que l’on peut négliger la force gravitationnelle devant la force électrostatique entre le
proton et l’électron (la constante de la gravitation G peut s’estimer à partir de données, même
approximativement connues).
3 – Établir que pour le mouvement circulaire de l’électron, 2
pc
EE
, où est l’énergie
cinétique et l’énergie potentielle (Théorème du viriel). Exprimer de l’électron en fonction du
rayon de la trajectoire circulaire. Exprimer le rayon en fonction de , correspondant à
. En utilisant l’axiome de quantification, exprimer en fonction de
c
E
p
Ec
E
rn
r1 et de nr
1n
r
1
H
,m,e et h. Calculer . r
1
 4 – Calculer l’ordre de grandeur du champ électrique créé par le proton à la distance
r
r
1.
Comparer la valeur de ce champ électrique atomique à un champ électrique macroscopique, produit
dans des conditions expérimentales que vous préciserez.
 5 – En déduire l’énergie mécanique totale de l’électron en fonction de et des données En
H
,m,e et =. L’origine des énergies pour l’électron correspond à l’état où l’électron est au repos à une
distance infinie du proton. Écrire sous la forme
E
En E1
n2en précisant l’expression de . Interpré-
ter le signe de . On appelle « état fondamental » de l’atome l’état d’énergie minimale. Montrer que
cet état correspond à . Calculer en électron-volt.
1
E
En
1
E1 E
 6 –Exprimer la vitesse en fonction de vn
net de
v
1. Exprimer v. Calculer Comparer sa valeur
à celle de c, vitesse de la lumière dans le vide. Conclure.
1v
Texte introductif aux questions 7 à 10
Dans les questions suivantes, l’électron a une énergie totale minimale, ce qui correspond à l’état fondamental
de l’atome. On assimile le mouvement de l’électron à une boucle de courant.
 7 – L’électron en mouvement sur sa trajectoire circulaire peut être assimilé à un courant électrique.
Exprimer
I
l’intensité équivalente de la boucle de courant. Calculer
I
.
 8 – Calculer , valeur du « champ
OBB
G
» créé au centre O de la trajectoire par le mouvement de
l’électron.
 9 – Donner l’ordre de grandeur des champs magnétiques les plus intenses actuellement réalisables.
Comparer cet ordre de grandeur à la valeur numérique obtenue à la question 8.
 10 – Si le modèle de Bohr a permis d’expliquer certaines caractéristiques des spectres de l’atome
d’hydrogène, ce modèle, qui s’appuie sur la mécanique de Newton, n’a pu expliquer l’ensemble des
propriétés des atomes. Ces dernières s’interprètent dans le cadre de la mécanique quantique. Rappeler
en quelques mots les conditions de validité de la mécanique classique.
DEUXIÈME PARTIE : ABSORPTION, DISPERSION
Un milieu gazeux monoatomique peu dense, linéaire, homogène et isotrope, contenant N électrons par
unité de volume est soumis à une onde électromagnétique plane progressive harmonique (dans le
domaine IR-UV), décrite par les deux vecteurs champs électrique E
G
et magnétique B
G
00
exp et expi t kz i t kz
ZZ
ªº ªº
¬¼ ¬¼
EE BB
GG GG 
.
Dans cette partie, le vecteur ( x, y, z) ne représente plus la position « instantanée » de l’électron
(pour autant que cette notion ait un sens), mais son élongation moyenne par rapport au noyau ; pour
un atome au repos, la position moyenne de l’électron est ainsi confondue avec celle du proton et l’on a
r
G

Physique II - PC - 2007
r0
G
G. Le mouvement d’un électron représentatif est décrit par le modèle classique de l’électron
élastiquement lié. En l’absence de rayonnement, l’équation du mouvement de cet électron est
22
0
2
dd
2
dd
mmem
tt
Z
§·
¨¸
©¹
rr
rE B
GG
d
.
dt
D
r
G
G
G
G [1]
On suppose que les constantes
D
et
Z
0 sont identiques pour tous les électrons, avec
D
Z
,u
 et
O S
c
Z
,u m.
 11 – Quelle est la signification physique du terme 2
0
m
Z
r
G
?
 12 – Quelles sont, dans ce modèle d’oscillateur, la dimension et la signification physique de
D ?
 13 – En les validant par des considérations d’ordre de grandeur, d’une part sur B, d’autre part sur
, proposer deux simplifications de l’équation non linéaire [1]. La simplification relative au
terme rend cette équation linéaire.
expikz
expikz
 14 – Compte tenu des simplifications de la question précédente calculer en régime permanent
l’amplitude complexe 0
r du vecteur
tr
G et celle du dipôle induit p
G
. Exprimer l’amplitude 0
P du
vecteur polarisation P
G, et la susceptibilité diélectrique
F
, définie par
000
PE
Z
HFZ Z .
 15 – Dans l’équation de Maxwell relative à un milieu non magnétique
000
t
PPH
w
w
E
rotBJ
J
G
J
JJGJG G
,
est le courant total, somme du courant de conduction et du courant de déplacement
J
G
dt
w
w
P
J
G
G. Éta-
blir alors que, en l’absence de courant de conduction,
00 00
1r
tt
HP FHPH
w
w
w
w
EE
rotB
GG
J
JJG
G
. Cette
équation définit la permittivité diélectrique relative
ri
H
ZHZHZ
c
cc
 . Exprimer
H
Z
c et
H
Z
cc . Tracer sommairement les courbes correspondantes. On posera 22
0pNe m
Z
H .
 16 – Dans l’équation
0
div
H
U E
G,
U
représente la densité volumique de charge totale,
. Établir que, en l’absence de charges libres, .
libre lié libre div
UU U U  P
G
0
div 0
H  EP
GG
 17 – Le milieu considéré étant dépourvu de charges et de courants libres, déterminer l’équation de
propagation vérifiée par le champ E
G dans le milieu1. Remarquer que, avec ce formalisme, est com-
plexe, et déterminer la relation de dispersion
k
kk ik
c cc
k
Z
. On suppose
1 HZ
c1
et
. Établir, en fonction de
1 HZ
cc 
H
Z
c,
H
Z
c
c,
Z
et , des expressions simplifiées de la partie
réelle et de la partie imaginaire
c
ck cc
k
de k. Identifier le terme de dispersion et celui d’absorption.
Comment introduire la notion d’indice complexe ?
1 Pour tout vecteur suffisamment différentiable, V
G
div
ªºªº
¬¼¬¼
rotrotV
g
radV V'
J
JJGJJJG JG JJJJJGJGJGJG
.

Physique II - PC - 2007
Texte introductif aux questions 18 à 21
Le modèle de l’électron élastiquement lié ne rend pas compte de l’ensemble des phénomènes observés ; il faut
utiliser la mécanique quantique et la physique statistique … dont aucune connaissance n’est nécessaire pour
traiter ce qui suit. Admettons seulement que :
Les atomes peuvent passer d’un état d’énergie à un état d’énergie supérieure par absorption
d’un photon de pulsation
1
E2 E
2
021
E
E
h
ZS
. Lorsque le milieu est dit être en équilibre thermique à la
température les nombres d’atomes par unité de volume N1 et N2 d’énergies respectives et
satisfont la relation de Boltzmann
,T1
E2 E
22
1
exp
B
NE
Nk
§·
¨
©¹
1
E
T
¸
. On prendra 300KT
.
 18 –L’expression quantique complexe de r
H
est
212
00 0
12
r
NNf
e
mi
HZ
H
ZZ Z D
  , où
f
est
un réel positif nommé force d’oscillateur. Quelle est la dimension de f ?
 19 – Quel est, à l’équilibre thermique, le signe de N1  N
2 ? Justifier, sans calculs détaillés, que
dans ce cas le milieu est absorbant.
 20 – Dans un laser, on réalise, en régime permanent, l’inégalité ; justifier le nom
d’inversion de population donné à cette situation. Que se passe-t-il lors de la propagation d’une onde
électromagnétique dans ce milieu ? LASER est l’acronyme de la traduction anglaise de « Amplifica-
tion de lumière par émission stimulée de radiation » ; justifier cette appellation.
N2!N1
 21 – Quelles caractéristiques présentent les lasers par rapport aux autres sources de lumière ? Citez
des utilisations du laser autres que la réalisation d’expériences au lycée.
TROISIÈME PARTIE : LAME POLARISANTE
Une lame diélectrique à faces planes et parallèles, d’épaisseur d, est placée dans
l’air, assimilé ici au vide (Fig. 2). L’une des faces, représentée par le plan xOy, est
abordée par une onde électromagnétique transversale dont le champ électrique
s’écrit
ˆ
,,, ,,, ˆ
x
xy
Exyzt Exyzt Eu
G
y
u
. Le diélectrique est homogène,
linéaire, transparent, non magnétique, dépourvu de charges et de courants libres,
mais il présente une anisotropie. Cette anisotropie se manifeste par une polarisation
du diélectrique différente suivant les axes x et y. En régime harmonique, cela se
traduit par les relations suivantes entre les composantes du vecteur polarisation P
G et du vecteur
champ électrique E
G :
00
1et1
x
xy
rx ry
PEP
HH HH
y
E
.
On pose ci-dessous 10 20
et
rx ry
H
HH H HH
, avec ry rx
H
H !. Il résulte de la question la question 15
que
00
t
PH
w
w
rotB E P
JJJGJG
GG
et il résulte de la question la question 16 que .
0
div 0
H  EP
GG
 22 – Établir une équation différentielle faisant intervenir les vecteurs E
G
et , et eux seulement ;
attention, cette équation fait intervenir
P
G
div E
G
, qui n’est pas nul.

Physique II - PC - 2007
 23 – Établir la relation entre et y
x
E
E
x
y
w
w
w
w
, qui fait intervenir 1 et 2
H
H . En déduire que
l’équation de propagation vérifiée par
x
E est
22
1
01
22
2
1
x
x
x
E
E
E
x
t
HPH
H
§·
ww
'
¨¸
w
w
©¹ .
 24 – Écrire l’équation de propagation vérifiée par . Que devient cette équation si le diélectrique
est isotrope ?
y
E
 25 – On considère à partir d’ici que les composantes du champ électrique s’écrivent
00
12
,exp et ,exp
xx yy
zz
EztE it EztE it
cc
ZZ
ªº ª
§· §
«» «
¨¸ ¨
©¹ ©
¬¼ ¬
º
·
»
¸
¹
¼
.
Les amplitudes complexes 00
et
x
y
EE sont constantes. En utilisant les résultats de la question précé-
dente, exprimer les constantes et en fonction des paramètres du milieu.
c1c2
Texte introductif aux questions 26 à 28
Une onde plane progressive harmonique polarisée rectilignement suivant la
bissectrice intérieure des axes (Ox, Oy) aborde le diélectrique sur sa face
, en incidence normale (Fig. 3). On néglige toute réflexion de l’onde ;
cette dernière est donc intégralement transmise. La valeur maximale de la
norme du champ électrique de l’onde incidente est notée .
z 0
E0
 26 – Donner les expressions des composantes et
x
y
EE du champ
dans le plan . z 0
 27 – Exprimer, pour , le déphasage entre les composantes du champ dans le diélectrique.
Quelle valeur minimale de (notée ) faut-il utiliser si l’on veut obtenir une onde polarisée
circulairement à la sortie du diélectrique ?
z d
dmin
d
On pose
10
12cc ccn
G  1
et
20 2
12 ccn
G  cc
0
cc
G  , avec 10
1
2
nn n
G
et 20
1
2
nn n
G
 . Calculer 0
nn
G
pour min5 mmd
et 6
2510 m c
S
O
Z
u .
 28 – Citez des applications possibles d’un tel dispositif.
QUATRIÈME PARTIE : INTERFÉROMÈTRE
Un interféromètre de Michelson (fig. 4) est initialement réglé en
différence de marche OM
1
OM2
ee
2
M
a
non nulle, Le
miroir et l’image du miroir à travers la séparatrice S
sont parallèles. La compensatrice C et la séparatrice sont
parallèles et à 45° de l’axe Ox. L’éclairement est monochromati-
que de longueur d’onde . La source So est
assimilable à un disque de rayon
, cm.
1
M
O
0 0,597 u106 m
1 mm
d’axe Ox placé dans
le plan focal d’une lentille convergente de distance focale
image .
1
L
cf
1 0, 3 m
 29 – Quels sont les rôles de la séparatrice et de la compensatrice ? Quelles sont les caractéristiques
communes et particulières de la compensatrice et de la séparatrice ?